DE3715789A1 - Potentialgetrennter stromwandler zur messung von gleich- und wechselstroemen - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einem potentialgetrennten Stromwandler zur Messung von Gleich- und Wechselströmen nach der Gattung des Hauptanspruchs.

Aus der Zeitschrift ELEKTRIE 1986/1, Seiten 14 bis 16 sind poten­ tialgetrennte Stromwandler zur Messung von Gleich- und Wechsel­ strömen erläutert. Dort ist es gemäß Bild 4 bekannt, bei einem Gleichstromwandler mit magnetischem Modulator einen hochpermeablen Kern um einen stromführenden Leiter anzuordnen und in Querschnitts­ schwächungen des Kerns Modulatoren anzubringen. Diese bestehen aus einem wenige µm-starken Blechstreifen mit sehr geringer Koerzi­ tivfeldstärke, die jeweils eine Modulations- und Indikatorwicklung tragen. Dabei sind die Modulationswicklungen an einen hochfrequenten Dreieckgenerator zur wechselweisen Vormagnetisierung angeschlossen und die Indikatorwicklungen sind mit einer Auswerteschaltung verbun­ den, in deren Ausgang eine auf dem Kern angeordnete Ausgangswicklung sowie ein Strommeßgerät liegt. Das vom stromdurchflossenen Leiter erzeugte Magnetfeld im Kern verändert das Tastverhältnis zwischen den positiven und negativen Spannungsimpulsen in den Indikatorwick­ lungen. Ein davon abgeleiteter Strom erzeugt in der Ausgangswicklung eine entsprechende Gegendurchflutung nach Art eines Nullflußwandlers und er führt zu einem entsprechenden Ausschlag am Meßgerät.

Derartige Lösungen sind sehr aufwendig, da sie mehrere Spulen benö­ tigen. Außerdem müssen die Modulatoren in einem Fenster des Kerns eingesetzt werden.

Mit der vorliegenden Lösung wird angestrebt, bei guter Meßgenauigkeit den Aufbau des Stromwandlers mitsamt seiner Auswerteschaltung wesentlich zu vereinfachen.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Stromwandler mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat den Vorteil, daß nunmehr eine Torroidspule als einzige Wicklung auf den Kern um den stromführenden Leiter benö­ tigt wird und daß mit dieser Spule sowohol das Hilfswechselfeld im Ringkern als auch die Meßspannung erzeugt wird, die in der Auswerte­ schaltung zu einer Rechteck-Wechselspannung umgeformt wird, deren Tastverhältnis als Meßgröße die Stärke und Richtung des im Leiter fließenden Stromes darstellt. Außerdem läßt sich ein solcher Strom­ wandler in einfacher Weise herstellen, indem die Torroidspule zu­ nächst auf den gestreckten Kern aufgebracht wird und der Kern mit­ samt der Torroidspule anschließend zu einem Ring gebogen wird. Ein solcher Stromwandler kann zur Messung von Gleichströmen und Wechsel­ strömen verwendet werden. Bei der Messung von Gleichströmen wird der Meßbereich durch das Hilfswechselfeld bestimmt, da die durch den Gleichstrom im stromdurchflossenen Leiter erzeugte Vormagnetisierung des Kernes kleiner sein muß als die Maximalwerte des Hilfswechsel­ feldes. Außerdem muß durch den Abstand des Ringkernes vom strom­ durchflossenen Leiter sichergestellt werden, daß die Feldstärke des zu messenden Stromes im Ringkern größer ist als die Koerzitivfeld­ stärke des Ringkernes. Bei der Messung von Wechselströmen ist darauf zu achten, daß die Frequenz des Hilfswechselfeldes wesentlich höher ist als die Frequenz des zu messenden Wechselstromes.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor­ teilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Merkmale möglich. Dabei ist es zur Vermeidung von Stör­ größen durch Fremdfehler besonders vorteilhaft, den Ringkern mit der Torroidspule außen mit einem hochpermeablen Material abzuschirmen oder die Störgröße von Fremdfeldern bei abgeschaltetem Strom im Lei­ ter in der Auswerteschaltung zu ermitteln, zu speichern und bei ein­ geschaltetem Strom das Meßergebnis entsprechend zu korrigieren. Be­ sonders einfach bei der Herstellung des Stromwandlers ist es, als Ringkern einen bandförmigen, schmalen hochpermeablen Streifen zu verwenden, der den stromführenden Leiter ringförmig in einem be­ stimmten Abstand zur Leiteroberfläche umgibt. Um den Stromwandler auf einen stromführenden Leiter aufzusetzen, ist es besonders zweck­ mäßig, wenn der Ringkern offen ist oder in einem Umfangbereich auf­ klappbar ausgebildet ist. Die Meßgenauigkeit des Stromes läßt sich dadurch verbessern, daß die Torroidspule nicht nur auf einem Teil des Ringkernumfangs aufgebracht ist, sondern den Ringkern voll­ ständig umgibt.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung darge­ stellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 den erfindungsgemäßen Stromwandler in seinem Aufbau, Fig. 2 die Magnetisierungskennlinie des Ringkerns für den Strom­ wandler und Fig. 3 den zeitlichen Verlauf von Strom und Spannungen an verschiedenen Schaltungspunkten des Stromwandlers nach Fig. 1.

Beschreibung des Ausführungsbeispieles

In Fig. 1 ist der prinzipielle Aufbau eines potentialgetrennten Stromwandlers 10 dargestellt. Er besteht aus einem geschnitten dar­ gestellten Ringkern 11, der aus einem bandförmigen, schmalen und hochpermeablen Streifen einen stromführenden Leiter 12 in einem be­ stimmten Abstand a umschließt. Der bandförmige Ringkern 11 trägt eine Torroidspule 13, deren Enden 13 a, 13 b mit einer Eingangs- und Ausgangsschaltung 14 verbunden ist. Der Schaltungsaufbau dieser Ein­ gangs- und Ausgangsschaltung 14 und deren Wirkungsweise ist bereits aus der DE-OS 33 45 712 an sich vorbekannt. Sie dient zur Erzeugung eines Hilfswechselfeldes im Ringkern 11 und einer Meßspannung. Zur Erzeugung des Hilfswechselfeldes ist ein Dreiecksgenerator 15 vorge­ sehen, an dem eine Hilfswechselspannung Uh mit einer Amplitude von 500 mV und einer Frequenz von f=1 kHz auftritt. Der Ausgang des Dreieckgenerators 15 ist mit dem Eingang eines Spannungs-Strom-Wand­ lers 16 verbunden, wobei ein Anschluß auf Massepotential liegt. Der Ausgang des Wandlers 16 ist an die Torroidspule 13 angeschlossen, die ebenfalls mit einem Ende auf das Bezugspotential der Masse liegt. Das andere Ende der Torroidspule 13 liegt sowohl am Wandler 16 als auch am Plus-Eingang eines Subtrahierverstärkers 17, dessen Minus-Eingang mit dem nicht auf Masse liegenden Ausgang des Dreieck­ generators 15 verbunden ist. Der Ausgang des Subtrahierverstärkers 17 ist mit dem Eingang eines Schmitt-Triggers 18 verbunden, der zwei zueinander symmetrische Schaltschwellen hat. Am Ausgang 19 des Schmitt-Triggers tritt eine Rechteck-Wechselspannung Uy auf, deren Tastverhältnis als Meßgröße dient, die sich proportional zur Stärke und Richtung des im Leiter 12 fließenden Stromes i ändert.

Die am Ausgang des Dreieckgenerators 15 auftretende Hilfswechsel­ spannung Uh wird im Wandler 16 in einen entsprechenden Hilfswechsel­ strom Ih umgesetzt. Dieser Strom Ih fließt durch die Torroidspule 13. Der Ringkern 11 besteht aus einem hochpermeablen ferromagne­ tischen Material, dessen Magnetisierungskurve in Fig. 2 dargestellt ist. Das Material hat eine sehr geringe Koerzitivfeldstärke und eine nicht wesentlich größere Sättigungsfeldstärke Hs. Durch den Hilfs­ wechselstrom Ih wird im Ringkern 11 ein Hilfswechselfeld Hh erzeugt, durch das der Ringkern wechselweise bis weit in die Sättigung magne­ tisiert wird. Sobald nun ein Strom i durch den Leiter 12 fließt, tritt dadurch im Ringkern 11 eine Feldstärke Hi auf, durch die der Ringkern 11 vormagnetisiert wird und die sich mit dem Hilfswechsel­ feld Hh überlagert.

Mit Hilfe der Fig. 3 soll die Wirkungsweise des Stromwandlers weiter erläutert werden, wobei der zeitliche Verlauf von Spannung und Strom an verschiedenen Stellen der Schaltung 14 abgebildet ist. Dabei ist auf der rechten Seite der Diagramme der Verlauf bei abge­ schaltetem Strom im Leiter 12 und auf der rechten Seite der Verlauf bei einer bestimmten Stärke eines Gleichstroms i dargestellt. Auf der Zeitachse t 1 ist die Hilfsspannung Uh am Ausgang des Dreieckge­ nerators 15 bzw. der proportionale Strom Ih in der Torroidwicklung 13 abgebildet. Auf der Zeitachse t 2 ist der im Leiter 12 fließende Strom i abgebildet, auf der Zeitachse t 3 ist die Meßspannung Um dar­ gestellt, die an den Enden 13 a und 13 b der Torroidspule 13 auftritt. Auf der Zeitachse t 4 ist die Meßspannung am Ausgang des Subtra­ hierverstärkers 17 dargestellt und die Rechteck-Wechselspannung Uy mit dem Tastverhältnis als Meßgröße am Ausgang 19 ist auf der Zeit­ achse t 5 abgebildet.

Fließt kein Strom im Leiter 12, so wird durch die Ummagnetisierung des Ringkerns 12 beim Nulldurchgang des Hilfswechselstromes Ih in der Torroidspule 13 ein Spannungsimpuls induziert, der sich mit der angelegten Spannung überlagert und auf der Zeitachse t 3 die Meßspan­ nung Um bildet. Am Subtrahierverstärker 17 wird nun die Spannung Uh des Dreieckgenerators 15 von der Meßspannung Um subtrahiert, so daß am Ausgang nur noch die in der Torroidspule 13 bei der Ummagnetisierung des Ringkerns 12 induzierten Spannungsimpulse Um 1 abwech­ selnder Polarität auf der Zeitachse t 3 auftreten. Durch den Schmitt-Trigger 18 werden diese Spannungsimpulse Um 1 in die Recht­ eck-Wechselspannung Uy auf der Zeitachse t 4 umgewandelt, deren Im­ pulsbreiten T 1 und T 2 ein Tastverhältnis T 1/T 2 bilden, das sich pro­ portional zur Stärke und Richtung des Stromes i im Leiter 12 ändert. Da auf der linken Seite der in Fig. 3 dargestellten Verläufe ist der Strom im Leiter 12 abgeschaltet ist, werden die Spannungsimpulse Um 1 jeweils im Nulldurchgang des Hilfswechselstromes Ih erzeugt. Das Tastverhältnis beträgt hier T 1/T 2=1. Tritt dagegen im Leiter 12 ein Strom i auf, so wird dadurch im Ringkern 11 mit dem Abstand a zur Leiterachse eine Vormagnetisierung Hi erzeugt nach der Gleichung:

Für das Hilfswechselfeld ergibt sich bei einer Torroidspule 13 auf dem Ringkern 11 im Abstand a vom Leiter 12 mit der Windungszahl n und dem Spitzenwert Îh die Feldstärke h nach der Gleichung:

Um eine Ummagnetisierung des Ringkernes 12 durch das Hilfswechsel­ feld h sicherzustellen, muß Hi<h sein. Dann gilt für das Tast­ verhältnis T die Gleichung:

Setzt man die Gleichungen (1) und (2) in die Gleichung (3) ein, so er­ hält man:

Das Tastverhältnis ist folglich direkt dem Strom i im Leiter 12 pro­ portional. Außerdem ist das Tastverhältnis T von den Materialpara­ metern des Ringkernes 11 und von Temperaturschwankungen unabhängig. Es ist nur erforderlich, daß das Hilfswechselfeld Hh groß genug ist, damit auch bei einer von einem großen Strom i im Leiter 12 erzeugten großen Vormagnetisierung Hi der Ringkern 11 noch wechselseitig bis in die Sättigung magnetisiert wird.

Claims (7)

1. Potentialgetrennter Stromwandler zur Messung von Gleich- und Wechselströmen mit einem einen stromführenden Leiter in einem Ab­ stand umgebenden dünnen ferromagnetischen, hochpermeablen Ringkern, der zumindest in einem Bereich eine Spule trägt, die zur wechsel­ weisen Sättigung des Kernes durch ein Hilfswechselfeld mit einem Dreieckgenerator verbunden ist und die in einer Auswerteschaltung eine Rechteck-Wechselspannung mit entsprechender Frequenz erzeugt, deren Tastverhältnis abhängig von der Stärke und Richtung des zu messenden Stromes in dem Leiter ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule als Torroidspule (13) sowie zur Erzeugung des Hilfswechsel­ feldes (Hh) als auch zur Erzeugung einer Meßspannung (Um) dient, in­ dem sie über eine spannungsgesteuerte Stromquelle (16) an den Drei­ eckgenerator (15) angeschlossen ist, der mit seinem einen Ausgang gemeinsam mit einem Ende (13 b) der Torroidspule auf Bezugspotential liegt, wobei der andere Ausgang des Dreieckgenerators (15) mit einem ersten Eingang eines Subtrahierverstärkers (17) der Auswerteschal­ tung liegt und das andere Ende (13 a) der Torroidspule (13) mit dem zweiten Eingang des Subtrahierverstärkers (17) verbunden ist, dessen Ausgang auf einen Schmitt-Trigger (18) zur Erzeugung der Rechteck- Wechselspannung (Uy) geschaltet ist.

2. Stromwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der den stromführenden Leiter (12) umgebende Ringkern (11) mit der Torroid­ spule (13) außen von hochpermeablem Material abgeschirmt ist.

3. Stromwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von Fremdfeldern verursachte Störgrößen bei abgeschaltetem Strom im Lei­ ter (12) von der Auswerteschaltung ermittelt, gespeichert und das Meßergebnis bei eingeschaltetem Strom entsprechend zu korrigieren ist.

4. Stromwandler nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Ringkern (11) als bandförmiger, schmaler hochper­ meabler Streifen den Leiter (12) in einem bestimmten Abstand (a) zur Leiterachse umgibt.

5. Stromwandler nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Ringkern (11) offen ist.

6. Stromwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Ringkern (11) in einem Umfangsbereich aufklappbar ist.

7. Stromwandler nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Torroidspule (13) den Ringkern (11) vollständig einfaßt.